Auringonsäteilyolosuhteet Helsingin Östersundomissa

Auringonsäteilyolosuhteet Helsingin Östersundomissa Ilmatieteen laitos Anders Lindfors Aku Riihelä Antti Aarva Jenni Latikka Janne Kotro

SISÄLLYSLUETTELO 1 JOHDANTO... 3 2 AURINGONSÄTEILYN MITTAUKSET... 3 2.1 Östersundomin mittausasema... 3 2.2 Ilmatieteen laitoksen muut asemat... 5 3 AURINGONSÄTEILYTIETOA SATELLIITTIMITTAUKSISTA... 5 4 TULOKSET... 7 4.1 Pilvisyyden vaikutus auringonsäteilyyn... 7 4.2 Auringonsäteilyn päiväkertymät Östersundomissa... 9 4.3 Satelliittivertailu... 10 4.4 Auringonsäteilyn vaihtelu Östersundomin ympäristössä... 11 4.5 Auringonsäteilyn vuosi-, kuukausi- ja tuntijakaumat... 13 4.6 Aurinkoa seuraava paneeli... 16 5 MUITA AURINKOENERGIATUOTANTOON VAIKUTTAVIA TEKIJÖITÄ... 17 6 JOHTOPÄÄTÖKSET... 18 7 VIITTEET... 19 8 LIITE: SÄTEILYN TUNTIJAKAUMAT KAISANIEMESSÄ... 20 Ilmatieteen laitos Sivu 2 2014

1 Johdanto Ilmatieteen laitos on selvittänyt Helsingin Östersundomin alueen aurinkoenergiaolosuhteita. Selvitystyö toteuttiin Innovatiivisuutta Julkisiin Investointeihin hankkeessa, jota koordinoi Lahden Seudun Kehitys LADEC Oy ja rahoitti Euroopan aluekehitysrahasto, Helsingin kaupunki, Helsingin Energia, Granlund Oy, SATO-Rakennuttajat Oy, Tengbom Eriksson Arkkitehdit Oy, Termo Panels Oy ja UTU Oy. Selvitystyö alkoi kesäkuussa 2013 ja jatkui vuoden 2014 kesäkuun loppuun. Esitämme tässä raportissa työn tulokset. Östersundom on Helsingin, Vantaan ja Sipoon yhteinen yleiskaava-alue, johon rakennetaan tulevaisuudessa noin 70 000 asukkaan asuin- ja työpaikka-alue. Yksi teema alueen kehitystyössä on energiahuollon toteuttaminen aurinkoenergiaa hyödyntämällä. Alueen yleiskaavaan on tulossa laaja panostus aurinkosähkötuotantoon, esimerkiksi Porvoon moottoritien pohjoispuolelta varataan noin 40 hehtaarin alue aurinkopaneeleille. Alueelle tulevan auringonsäteilyn määrä vaihtelee sään ja muiden olosuhteiden mukaan vuosi vuodelta ja päivä päivältä. Tämän työn tavoitteena oli selvittää Östersundomin keskimääräiset auringonsäteilyolot ja verrata Östersundomin auringonsäteilyolosuhteita muihin paikkoihin Etelä-Suomessa, etenkin rannikkoalueella. Östersundomiin perustettiin projektia varten auringonsäteilyn mittausasema, joka oli toiminnassa juhannuksesta 2013 kesäkuun loppuun 2014. Näistä mittauksista saatiin arvokasta tietoa auringonsäteilyn määrästä paikan päältä. Ilmastollisessa mielessä tämä mittausjakso on kuitenkin lyhyt, eikä sitä voida suoraan hyödyntää keskimääräisten säteilyolojen määrittämisessä. Sen vuoksi työssä hyödynnettiin lisäksi Ilmatieteen laitoksen auringonsäteilyn mittausverkostoa, esimerkiksi Helsinki- Vantaan lentokentän asemaa, sekä sääsatelliiteista saatavaa auringonsäteilytietoa joka kattaa koko Suomen. 2 Auringonsäteilyn mittaukset 2.1 Östersundomin mittausasema Mittausaseman sijoituskriteereinä olivat a) yleinen sijainti mahdollisimman lähellä alustavasti auringonsäteilykeräimille suunniteltua aluetta Porvoon moottoritien (valtatie 7) varrella, sekä b) sijainti mahdollisimman aukealla alueella, jotta puiden tai rakennusten varjostus ei häiritsisi säteilymittauksia. Ensimmäisenä selvitettiin Sakarinmäen koulun katon soveltuvuutta sijoituspaikaksi. Paikka osoittautui kuitenkin horisontiltaan hankalaksi lähellä olevien puiden takia. Myös huoltokäynneille pääsy olisi vaatinut erikoisjärjestelyitä, joten tästä paikasta luovuttiin. Lähistöltä löydettiin kuitenkin hyvä sijainti Östersundomin kartanon pelloilta (kuva 1). Asema rakennettiin kesäkuun puolivälissä 2013 ja mittaukset aloitettiin 20.6.2013. Asemalla mitattavat säteilysuureet ovat listattuna taulukossa 1. Vaakasuoralle pinnalle tulevaa auringon globaalia säteilyä mitattiin kahdella eri anturilla laadun varmistuksen ja aineiston saannin varmentamiseksi. Toinen säteilyantureista (CM11) kalibroitiin ennen mittausten alkua Ilmatieteen laitoksen referenssi-instrumenttia vastaan tarkkuuden varmentamiseksi. Toinen antureista Ilmatieteen laitos Sivu 3 2014

Kuva 1. Östersundomin mittausaseman sijainti, rakenne ja perustaminen. (SPN1) oli uusi joten tehdaskalibrointi oli sille pätevä. Säteilysuureiden lisäksi asemalla mitattiin ilman lämpötilaa ja kosteutta. Mittaukset toimivat aloituspäivästä 20.6.2013 asti miltei keskeytyksettä, pois lukien salaman iskun aiheuttamaa vikatilannetta 13.8.2013. Salama vaurioitti aseman virtalähdettä ja mittaustietokonetta, muttei itse antureita. Ilmatieteen laitoksen havaintoyksikkö vastasi vikatilanteeseen nopeasti, palauttaen osittaisen datan saannin 15.8. globaalin säteilyn osalta. Normaalitilanteeseen päästiin 20.8.2013. Säteilyantureille tehtiin rutiinitarkistus ja huolto noin kerran viikossa tärkeimpänä kesäkautena ja noin kerran kahdessa kolmessa viikossa syksyn, talven ja kevään aikana kun auringonsäteilyn määrä on huomattavasti vähäisempi. Asemalta tulevaa mittausaineistoa on tarkistettu laadunvarmennustarkoituksessa koko mittausajan. Marraskuun 2013 alussa havaittiin antureiden kellosignaalien ajelehtineen toisistaan noin kolme minuuttia erilleen; kellot korjattiin samaan aikaan seuraavalla huoltokäynnillä. Joulukuun aikana asennettiin SPN1-anturille lämmitys ja puhallus kuvun puhtaana pitoa varten talvimittausten laadun takaamiseksi. CM11-anturilla vastaava järjestelmä oli käytössä koko mittausjakson ajan. Jollei toisin ilmoiteta, mittaustulokset kuvaavat tässä raportissa lähtökohtaisesti vaakasuoralle pinnalle tulevaa säteilytehoa. Myös satelliittiaineistosta lasketut säteilysummat on määritelty vaakasuoralle pinnalle. Östersundomin tutkimusaseman auringonsäteilyn mittaukset kattavat jakson 20.6.2013 30.6.2014. Mittaustiedot ovat olleet yleisölle katseltavissa verkossa Yhteinen Östersundom sivustolla (http://yhteinenostersundom.fi/teemat/energiaaauringosta/). Projektin loputtua mittaustiedot säilyvät Ilmatieteen laitoksen tietokannassa, josta ne voi saada käyttöönsä pyytämällä. Ilmatieteen laitos Sivu 4 2014

Taulukko 1: Östersundomissa mitattavat suureet Suure Instrumentti Kuvaus Globaali säteily SPN1 (Delta-T), CM11 (Kipp & Zonen) Vaakasuoralle pinnalle saapuva säteily, joka tulee koko taivaankannelta. Sisältää suoran ja hajasäteilyn. Suora säteily SPN1 Suoraan auringon suunnasta tuleva säteily. Hajasäteily SPN1 Muualta kuin auringon suunnasta tuleva säteily. Esimerkiksi pilvistä tai ilmakehästä sironnut säteily. Auringonpaiste SPN1 Aika jolloin auringon suora säteily on ollut suurempi kuin 120 W/m2. Tämä vastaa suurin piirtein aikaa jolloin aurinko on paistanut tavaalla niin, ettei ole ollut pilven peittämänä. 2.2 Ilmatieteen laitoksen muut asemat Ilmatieteen laitos ylläpitää Suomessa kansallista auringonsäteilyn mittausverkostoa, johon kuuluu noin 20 asemaa ympäri maan. Näillä asemilla on käytössä samantyyppiset säteilyanturit kuin Östersundomissa. Säteilyanturit ovat yleisesti ottaen luotettavia ja ne kalibroidaan säännöllisesti. Näin ollen mittausverkostosta saadaan korkealaatuista tietoa auringonsäteilystä. Tässä työssä käytimme Helsinki-Vantaan, Kumpulan, Kaisaniemen, Jokioisten ja Utön mittauksia. 3 Auringonsäteilytietoa satelliittimittauksista Avaruudessa maapalloa kiertävät sääsatelliitit seuraavat jatkuvasti ilmakehän tilaa. Ne näkevät muun muassa missä päin on pilviä, miten paljon vesihöyryä ilmakehä sisältää ja millainen maan pinta on. Mittauksista selviää, onko maan pinnassa esimerkiksi heijastava lumikerros, vai onko se tumman kasvillisuuden peittämä. Näitä tietoja voidaan käyttää arvioimaan maan pinnalle saapuvan auringonsäteilyn määrää. Selvitettäessä auringonsäteilyn määrää satelliittihavainnoista lähdetään usein liikkeelle laskemalla säteilynkuljetusmallilla, kuinka paljon säteilyä tulisi maan pinnalle pilvettömässä tilanteessa. Säteilynkulkumalli kuvaa laskennallisesti auringonsäteilyn kulkeutumista ilmakehän läpi, eli sitä miten osa säteilystä heijastuu takaisin avaruuteen, osa imeytyy ilmakehään ja osa tulee maan pinnalle. Näihin laskelmiin tarvitaan lähtötietona muun muassa auringon korkeuskulma, ilmakehän hivenkaasujen kuten otsonin ja vesihöyryn määrä, ilmakehän sameus (pienhiukkaset) ja maan pinnan heijastuvuus. Osa näistä tiedoista saadaan satelliittihavainnoista, osa otetaan muualta, kuten sään ennustamiseen käytetyistä malleista. Kun pilvettömän tilanteen säteilymäärä on tiedossa, arvioidaan pilvien aiheuttama säteilyvaimeneminen satelliitin havaitseman pilvitiedon perusteella, jolloin lopputuloksena saadaan arvio maan pinnalle saapuvan auringonsäteilyn todellisesta määrästä. Ilmatieteen laitos Sivu 5 2014

Satelliitti ei siis mittaa maan pinnalle tulevaa säteilyä suoraan, vaan arvio saadaan fysikaalisen päättelyn ja mallintamisen tuloksena. Satelliitti pystyy avaruudesta käsin havaitsemaan ison alueen. Riippuen kyseisen satelliitin lentoradasta ja mittalaitteen katselugeometriasta havaintoalue voi kattaa tietyllä aikavälillä jopa koko maapallon. Näin ollen satelliittiaineiston maantieteellinen kattavuus on ylivoimainen verrattuna yksittäisiin mittausasemiin maan pinnalla. Toisaalta on hyvä muistaa, että satelliiteista saatu arvio auringonsäteilyn määrästä ei yllä samaan tarkkuuteen perinteisen maanpintamittauksen kanssa. Tässä selvitystyössä on asemakohtaisten säteilymittauksien lisäksi käytetty Euroopan sääsatelliittijärjestön EUMETSAT:n naparatasatelliittiaineistoon pohjautuvaa auringonsäteilytuotetta (Karlsson ym., 2013). Tämä aineisto on nimeltään CLARA- A1 ( CM SAF cloud, Albedo and RAdiation dataset from AVHRR data ). Se hyödyntää maapallon napa-alueiden yli lentävien satelliittien mittauksia ja soveltuu näin ollen hyvin myös Suomen leveysasteiden säteilymäärien kartoittamiseen. Kuvassa 2 (vasen puoli) nähdään Pohjois-Euroopan keskimääräinen auringonsäteilyn jakauma heinäkuussa laskettuna vuosien 1982 2009 naparatasatelliittihavainnoista. Etelä-Suomen auringon globaali säteily on heinäkuussa jopa vähän isompi kuin Pohjois-Saksan tai Puolan vastaava säteilymäärä. Tämä näkyy selkeästi myös kuvan oikeanpuolimmaisessa osassa, jossa on verrattu Helsingin ja Rostockin kuukausittaisia säteilyarvoja. Tähän vaikuttaa luonnollisesti Suomen pitkät ja valoisat kesäpäivät. Tilanne kääntyy keväällä ja syksyllä päinvastaiseksi normaalin vuodenaikaisvaihtelun seurauksena. Vuositasolla Etelä-Suomi saa lähes saman verran auringonsäteilyä kuin Pohjois-Saksa. Östersundomin osalta voidaan todeta, että kesäaikaan sijainti on auringonsäteilyn kannalta hyvä aurinkoisen Itämeren rannikon tuntumassa. Kuva 2. (vasen) Vuorokauden keskimääräinen auringon globaali säteily heinäkuussa Pohjois- Euroopassa; (oikea) Helsingin ja Rostockin globaalin säteilyn kuukaisiarvot. Ilmatieteen laitos Sivu 6 2014

4 Tulokset 4.1 Pilvisyyden vaikutus auringonsäteilyyn Pilvisyys on auringon korkeuskulman ohella tärkein maan pinnalle saapuvan auringonsäteilyn määrään vaikuttava tekijä. Alla esitämme esimerkkipäivien avulla kuinka pilvisyys vaikuttaa Östersundomin auringonsäteilyyn. Kuva 3 esittää auringonsäteilyn mittaustulokset kolmelta kesäpäivältä: 7.7. (pilvetön päivä), 29.6. (pilvinen päivä) ja 28.6.2013 (vähäpilvinen päivä). Säteilymittauksien tukena käytämme satelliittipilvihavaintoja. Kuvan oikeassa laidassa on esitetty NOAA:n (National Oceanic and Atmospheric Administration) naparatasatelliitin pilvikuva kultakin päivältä lähellä auringon keskipäivää (noin klo 13:30 Suomen kesäaikaa). Kuva on tehty yhdistämällä satelliitin näkyvän valon ja infrapunakanavan mittaukset.satelliittikuvissa alapilvet erottuvat kellertävinä, ohuet yläpilvet sinertävinä ja paksut yläpilvet valkoisina. Pilvettömänä päivänä (7.7.2013) auringon globaali säteily muodostaa tasaisen kellokäyrän, joka seuraa auringon korkeuskulman kehitystä päivän mittaan. Huippulukema on noin 800 W/m2 ja se saavutetaan auringon keskipäivän aikaan. Hajasäteily pysyy tässä pilvettömässä tilanteessa alle 100 W/m2. Päivän aikana mittausasemalla kertyy auringonsäteilyä kaiken kaikkiaan 8 kwh/m2 ja auringonpaistetta reilut 15 tuntia. Pilvisenä päivänä (29.6.2013) auringon globaali säteily on lähes pelkkää hajasäteilyä ja auringonpaistetta kertyy vain 2,5 tuntia. Säteilyn taso vaihtelee päivän mittaan pilvitilanteen mukaan, mutta pysyy koko päivänä suhteellisen matalana. Satelliittikuvasta nähdään, että auringon keskipäivän aikaan Östersundomin päällä on paksuhko pilvipeite. Päivän aikana auringonsäteilyä kertyy 2,6 kwh/m2, mikä on noin kolmasosa pilvettömän päivän säteilymäärästä. Pilvityyppi vaikuttaa säteilyn määrään: kun pilvipeite on paksumpi, pilvisen päivän säteilykertymä voi tippua tyypillisesti noin viidesosaan pilvettömän päivän arvosta ja äärimmillään kymmenykseen tai vielä alemmaksi. Vähäpilvisenä päivänä (28.6.2013) auringon globaali säteily reagoi herkästi pilvisyyden vaihteluihin. Esimerkiksi noin klo 07 10 säteilytaso vaihteli voimakkaasti. Kuitenkin globaalin säteilyn (noin 8 kwh/m2) ja auringonpaisteen (noin 15 h) päiväkertymät pysyivät samalla tasolla pilvettömän päivän kanssa. Satelliittikuva klo 13:22 osoittaa, että Östersundomissa oli miltei pilvetöntä. Samaan aikaan maan länsiosassa oli kesälle tyypillistä kumpupilvisyyttä. Kuvassa 4 on esitetty vaihtelevan pilvisyyden kesäpäivä, 4.7.2013. Päivä oli aamupäivän osalta vähäpilvinen, mutta iltapäivällä auringonsäteilyn taso tippui, ollen klo 15 jälkeen enimmäkseen alle 400 W/m2. Tämäntyyppinen tilanne on periaatteessa ennustettavissa satelliittipilvihavainnoista (kuvan alaosa). Klo 11:09 Ahvenanmaalla ja Itämerellä on yhtenäinen pilvivyöhyke, jonka itäreuna ulottuu Saaristomerelle. Lounais-Suomessa on jonkin verran ohuempaa yläpilveä. Noin kolme tuntia myöhemmin, klo 13:58, yhtenäinen pilvipeite on työntynyt maamme länsiosiin. Jo näistä kahdesta havainnoista voitaisiin päätellä, että pilvi saapuu Östersundomiin iltapäivällä noin klo 15. Klo 16:50 pilvialueen reuna on huomattavasti Östersundomia idemmässä. Maailmalla on saatu lupaavia tuloksia tämäntyyppisillä satelliitin Ilmatieteen laitos Sivu 7 2014

Auringonsäteily Östersundomissa pilvihavaintoihin nojautuvilla auringonsäteilyn ennustemenetelmillä (Perez ym., 2010), mutta Suomen oloihin niitä ei olla tiettävästi vielä kokeiltu. Kuva 3. Auringonsäteilyn käyttäytyminen kolmena kesäpäivänä Östersundomissa: Pilvetön päivä (7.7.2013), pilvinen päivä (29.6.2013) ja vähäpilvinen päivä (28.6.2013). Punainen käyrä kuvaa CM11-anturin auringon globaalia säteilyä, musta käyrä SPN1-anturin globaalia säteilyä, ja sininen SPN1-anturin hajasäteilyä. Kuvan oikeassa laidassa on satelliittikuva pilvisyystilanteesta auringon keskipäivän aikaan. Ilmatieteen laitos Sivu 8 2014

Auringonsäteily Östersundomissa Kuva 4. Östersundomin auringonsäteilymittaukset kuten kuvassa 3. Alaosassa satelliittipilvikuva samalta päivältä noin kolmen tunnin välein: klo 11:09, 13:58 ja 16:50. Östersundomin globaali säteily nousee 4.7.2013 (kuva 4) hetkellisesti lähelle 1000 W/m2 juuri ennen kuin yhtenäinen pilvialuee saapuu noin klo 15. Vertaamalla säteilyn käyttäytymistä kuvan 3 pilvettömään päivään (7.7.2013), voidaan todeta, että säteilytaso on hetkellisesti noussut korkeammalle kuin vastaavassa pilvettömässä tilanteessa. Näin voi käydä, kun aurinko pääsee paistamaan pilvien välistä niin, että auringon suora säteily ei vaimene samaan aikaan kuin vieressä olevien pilvien reunoista heijastuu säteilyä mittauspaikalle voimistaen saapuvaa hajasäteilyä. 4.2 Auringonsäteilyn päiväkertymät Östersundomissa Kuva 5 näyttää auringon globaalin säteilyn (CM11 ja SPN1) ja hajasäteilyn (SPN1) päiväkertymät jakson 1.7.2013 30.6.2014 aikana. Keskikesällä globaalin säteilyn korkeimmat päiväkertymät olivat noin 8 kwh/m2 (kuten todettu aiempana) ja elokuun lopulla 5,5 kwh/m2. Syksyä kohti päivä lyhenee ja auringon lakipiste taivaalla jää Ilmatieteen laitos Sivu 9 2014

Kuva 5. Päivittäiset säteilysummat Östersundomissa. yhä matalammalle. Tästä johtuen säteilymäärä väistämättä pienenee. Lokakuun keskivaiheilla säteilyenergiaa saatiin parhaimmillaan noin 2 kwh/m2. Talvikaudella säteilyenergiaa tulee niukasti. Lokakuun 2013 loppupuolelta (20.10) helmikuun loppuun 2014 päiväkertymät jäivät enimmäkseen noin 1 kwh/m2 tasolle tai alle, samaan aikaan hetkelliset globaalisäteilyarvot olivat enimmäkseen alle 300 W/m2. Päiväkertymiin vaikuttaa tähän vuodenaikaan sekä auringon matala korkeuskulma että lyhyet päivät. Maaliskuulta 2014 alkaen säteilyn määrä kasvoi nopeasti päivien pidentyessä ja selkiytyessä. Huhtikuuhun mennessä saavutettiin 4 kwh/m2 taso, josta nousu jatkui tasaisena kesää ja 8 kwh/m2 huippuarvoja kohti. Pilvinen ja kolea kesäkuu 2014 erottuu kuitenkin varsin selvästi myös tavallista matalampina säteilysummina kuvaajassa. Koko jakson 1.7.2013 30.6.2014 aikana Östersundomiin kertyi auringon globaalia säteilyä yhteensä noin 940 kwh/m2. 4.3 Satelliittivertailu Ensimmäinen tehtävä satelliittiaineiston hyödyntämisessä Östersundomin asemamittausten tukena oli selvittää, ovatko satelliittien mittauksista lasketut arviot globaalille säteilylle riittävän tarkkoja Suomen olosuhteissa kesäaikaan. Nykyisistä satelliittituotteista ei saada luotettavia säteilyarvoja talvikaudelle kirkkaan lumipinnan ja läheltä horisonttia tulevan vähäisen auringonsäteilyn tuottamien haasteiden vuoksi. Vertasimme CLARA-A1 -aineiston kesäkuukausien auringonsäteilyn kertymiä Ilmatieteen laitoksen ylläpitämien Kaisaniemen, Jokioisten, Kumpulan, Helsinki- Vantaan lentokentän sekä Utön säteilymittausasemien kertymiin. Koska satelliittiaineistomme kattaa 28 vuotta (1982 2009), pystyimme suoraan arvioimaan satelliittitiedon soveltuvuutta tyypillisten säteilyolosuhteiden määrittämiseen eri paikoilla. Alla on esitetty Jokioisten vertailun tulokset (kuva 6). Muilla asemilla lasketut tulokset muistuttavat Jokioisten tuloksia hyvin läheisesti. 1980-luvun vuosina havaitut suuremmat erot johtuvat luultavimmin vähäisemmästä sääsatelliittien määrästä Ilmatieteen laitos Sivu 10 2014

Kuva 6. Kesäkauden (kesä elokuu) vuosittaiset auringon globaalin säteilyn kertymät Jokioisissa CLARA-A1 -satelliittiaineistosta ja asemamittauksista. myöhempiin vuosiin verrattuna, mikä johtaa suurempaan epävarmuuteen säteilymäärien laskennassa. Saatujen tulosten pohjalta voimme todeta, että satelliittiaineistosta (CLARA-A1) saadaan laskettua kesäajan säteilysummat 5-10 % tarkkuudella. Tuoreemman jakson aikana suorituskyky on ollut vielä vähän parempi: 1990-luvun puolenvälin jälkeen erotus maanpintamittauksiin on ollut enimmäkseen alle 5 %. Tämä tarkkuus on hyvä, ja riittävä siihen, että aurinkokeräimien aluesijoittelun suunnittelun pohjana ja apuna voidaan käyttää CLARA-A1 -aineistoa. On kuitenkin huomioitava, että nykyisen CLARA-aineiston melko karkea horisontaaliresoluutio (0,25 astetta eli noin 25 km) rajoittaa käytettävyyden aluetasolle; asemakaavatason tarkasteluun resoluutio ei riitä, eikä satelliittiaineistosta voida myöskään laskea varjostusefektejä säteilykeräimille. Satelliittimittauksilla ei siis voida korvata asemamittauksia, mutta niitä voidaan pitää hyvin arvokkaana täydentävänä tietolähteenä aurinkoenergia-sovelluksiin. Esimerkiksi Saksan aurinkoenergiayritykset käyttävät satelliittiaineistoja rutiininomaisesti tuotantopaikkojen sijoituksen suunnittelun tukena. 4.4 Auringonsäteilyn vaihtelu Östersundomin ympäristössä Tutkimme auringonsäteilyn vaihtelua Östersundomin lähialueella vertaamalla kesän 2013 osalta Östersundomin auringonsäteilyn päiväkertymiä Helsinki-Vantaan ja Kumpulan arvoihin. Keskimäärin asemat käyttäytyvät keskenään hyvin samanlaisesti: heinä-elokuun aikana Östersundomiin kertyi auringonsäteilyä saman verran kuin Ilmatieteen laitos Sivu 11 2014

Kuva 7. Auringonsäteily Helsinki-Vantaalla, Kumpulassa ja Östersundomissa 9.8.2013. Kumpulaan ja muutama prosentti enemmän kuin Helsinki-Vantaalle. Tämä pieni systemaattinen ero liittyy auringonsäteilyn vaihteluun rannikkoalueella, josta tarkemmin alla. Yksittäisten päivien tapauksessa asemien välillä löytyy isompia eroja, etenkin pilvisyyden ollessa vaihteleva. Kuvan 7 esimerkkipäivänä (9.8.2013) Östersundomiin (3,6 kwh/m2) kertyi auringonsäteilyä melkein 40 % enemmän kuin Helsinki- Vantaalle (2,6 kwh/m2) vaikka säteilyn käyttäytyminen yleisellä tasolla näyttää melko samantapaiselta kaikilla kolmella asemalla. Korostamme, että tämä on vain yksi esimerkkipäivä ja eroa voi olla päivästä riippuen kumpaankin suuntaan. Tutkimme myös yksityiskohtaisemmin rantaviivan merkitystä saatavan aurinkoenergian määrään Östersundomissa ja sen lähialueella. Erotimme CLARA-A1 -satelliittiaineistosta viisi 0,25 asteen hilaruutua (kuva 8, ylempi) ja analysoimme niistä auringon globaalin säteilyn määrää eri kuukausina keskiarvoistaen koko satelliittiaineiston kattaman 28 vuoden jakson yli (kuva 8, alempi). Suomenlahden keskiosat ovat kesäisin selvästi sisämaata aurinkoisempia: kesä elokuun aikana Suomenlahden ensimmäinen hilaruutu (oranssi ruutu, kuva 8) saa 8 % enemmän säteilyä kuin Östersundomin hilaruutu. Ero on pienempi keväisin ja syksyisin. Kesä elokuun säteilykertymässä 8 % lisäys vastaa noin 40 kwh/m2 eli noin viisi aurinkoista kesäpäivää. Matka hilaruutujen keskipisteiden välillä on noin 25 km, joten molemmat Suomenlahdella olevat hilaruudut ovat ulkosaaristoa tai avomerta. Lisäksi on syytä todeta, että Östersundomin hilaruutu (kuva 8, ylempi) sijoittuu pääosin maan päälle niin, että Östersundomin asema ja kaavailtu aurinkosähkölaitos ovat lähellä hilaruudun eteläistä reunaa. Hilaruutu edustaa näin ollen mantereisempaa ilmastoa kuin Östersundomin asema, mikä saattaa korostaa Östersundomin ja Suomenlahden välistä eroa analyysissa. Suuntaa antavana vertailukohtana toimii Utön ja Helsinki- Vantaan välinen ero: Ilmatieteen laitoksen asemamittauksien mukaan ero kesäelokuun säteilykertymässä on Utön hyväksi +9 % kun taas CLARA-satelliittiaineiston mukaan ero on +13 %. Näin ollen vaikuttaa siltä, että meri-manner kontrasti hieman korostuu CLARA-aineistossa. Pilvisyyden käyttäytyminen selittää rannikkoalueella havaitun eron säteilyoloissa. Kesällä konvektiota ja siihen liittyvää kumpupilvisyyttä esiintyy paljon yleisemmin maan yläpuolella kuin merellä (Rinne ym., 1998), mistä johtuen saaristo ja rannikkoalueet ovat Suomen aurinkoisinta seutua (Kajosaari, 1976). Tähän ilmiöön liittyy myös merituuli, joka sopivissa oloissa pitää meren lisäksi myös rantaviivan läheisen alueen vähäpilvisenä. Ilmatieteen laitos Sivu 12 2014

Kuva 8. (ylempi kuva) CLARA-aineistosta erotellut viisi hilaruutua rantaviivan vaikutuksen tutkimiseen, Östersundomin mittausasema sijaitsee keskimmäisessä solussa. Solujen väritys kuvaa keskimääräistä auringon globaalia säteilyä heinäkuussa 1982 (W/m2); (alempi kuva) Valittujen hilaruutujen vuorokauden keskimääräinen globaali säteily kaudella 1982 2009 eri kuukausina. Punainen viiva kuvaa sisämaata (pohjoisin hilaruutu), sininen viiva Suomenlahden keskiosaa (eteläisin hilaruutu) ja tumma paksu katkoviiva Östersundomin hilaruutua. 4.5 Auringonsäteilyn vuosi-, kuukausi- ja tuntijakaumat Aurinkoenergiatuotannon kannalta on mielenkiintoista tarkastella säteilyn määrän tyypillistä vaihtelua ja tilastollisia jakaumia. Koska Östersundomin mittausjakso on verrattain lyhyt, käytimme sekä satelliittiaineistoa että Ilmatieteen laitoksen säteilyverkoston pitkiä aikasarjoja kuvaamaan miten auringonsäteily käyttäytyy ilmastollisessa mielessä. Ilmatieteen laitos Sivu 13 2014

Kuva 9. Huhtikuu-syyskuun säteilysummat Östersundomissa 1982 2009. Laskimme CLARA-aineistosta aurinkoenergian tuotannon kannalta olennaisen huhtikuun ja syyskuun välisen kauden keskimääräiset kuukausittaiset säteilysummat ja niiden vaihtelun vuosina 1982 2009. Muille kuukausille satelliittiaineistosta ei saada luotettavia arvoja vähäisen valon ja runsaan pilvisyyden takia. Tämän nk. valoisan kauden säteilysumman vuosijakauma on esitetty kuvassa 9. Kuvan aikasarjasta nähdään, että Östersundomin satelliittiaineisto on muutaman vuoden osalta puutteellinen (1982 1986 ja 1996). Kun laskelmista jätetään nämä vuodet pois, saadaan keskimääräiseksi valoisan kauden säteilysummaksi ja sen keskihajonnaksi 823±41 kwh/m2. Minimi- ja maksimiarvot ovat vastaavasti 742 ja 928 kwh/m2. Tätä voidaan verrata Ilmatieteen laitoksen säteilyverkoston asemamittauksiin Helsingin Kaisaniemessä ja Helsinki-Vantaalla. Kaisaniemessä huhti syyskuun keskimääräinen säteilysumma ja sen keskihajonta ovat 836±43 kwh/m2 kun Helsinki-Vantaalla vastaavat luvut ovat 809±38 kwh/m2. Näin ollen satelliittiaineisto on hyvin linjassa asemamittauksien kanssa. Kaisaniemen ja Helsinki-Vantaan ero on 3% Kaisaniemen hyväksi, mikä puolestaan vastaa hyvin edellä esitettyjä tuloksia auringonsäteilyn vaihtelusta rannikon läheisyydessä. Kaisaniemi on tämän perusteella näistä kahdesta asemasta sopivampi kuvaamaan Östersundomin tyypillisiä säteilyoloja. Säteilyjakaumaa voidaan tarkastella myös kuukausipohjaisesti. Kuva 10 näyttää vertailun kolmen eri aineiston välillä; ensinnä CLARA satelliittiaineistosta lasketut kuukausittaiset säteilysummat jaksolta 1982 2009 (keskimääräiseen havaittuun säteilytehoon perustuen), toiseksi Kaisaniemessä jakson 1981 2006 aikana mitatut säteilysummat, ja kolmanneksi Östersundomin kesästä 2013 kesään 2014 kestäneiden mittausten säteilysummat. Monivuotisista CLARA- ja Kaisaniemen aineistoista on mediaanin lisäksi laskettu 20/80-persentiilit, jotka ovat esitetty kuvassa tolppina Ilmatieteen laitos Sivu 14 2014

Kuva 10. Kuukausittainen säteilysumma Östersundomin alueella CLARA-satelliittiaineistosta, Kaisaniemen asemamittauksista ja Östersundomin mittauksista. Satelliittiaineistosta ja Kaisaniemen mittauksesta on esitetty mediaanin lisäksi 20% ja 80% vaihteluvälin. Östersundomin mittausjakso on heinäkuusta 2013 kesäkuuhun 2014. mediaanin molemmin puolin. Persentiilit kuvaavat säteilyarvojen jakaumaa: esimerkiksi 20-persentiilin alapuolella on 20% kaikista arvoista, samoin 80- persentiilin yläpuolella. Östersundomin mittauksista voidaan sanoa, että jakso oli vuoden 2013 osalta (heinä joulukuu) varsin tyypillinen: kuukausiarvot osuvat lähelle pitkien aikasarjojen mediaaniarvoja. Elokuun kuukausisumma on muutaman puuttuvan päivän takia arvioitu perustuen olemassa olevien mittauspäivien keskiarvoon. Vuoden 2014 osalta (tammi kesäkuu) Östersundomissa erottuu vähäluminen ja suhteellisen pilvinen helmikuu, aurinkoinen huhtikuu sekä pilvinen touko kesäkuu. Kuvasta 10 nähdään edelleen, että säteilysummien mediaaniarvot ovat varsin lähellä toisiaan toukokuusta heinäkuuhun, sekä CLARA-aineiston että Kaisaniemen asemamittauksen perusteella. Kaisaniemen mittausaineisto ei kuitenkaan tue satelliittiaineistossa heinäkuun osalta näkyvää vaihteluvälin hienoista laajenemista verrattuna kesä toukokuuhun. Kuvassa 11 on esitetty Kaisaniemen heinäkuun mittauksien perusteella kunkin tunnin osalta auringon globaalin säteilyn mediaani sekä eri persentiilejä. Mediaani käyttäytyy melko symmetrisesti auringon keskipäivän suhteen, mikä tarkoittaa että suurimmat säteilymäärät saadaan auringon ollessa etelässä. Jos tarkastellaan mediaanin alapuolella olevia persentiilejä tarkemmin, nähdään, että käyttäytyminen on epäsäännöllisempää kuin mediaanilla ja yläpersentiileillä. Epäsymmetriaa auringon keskipäivän suhteen on kuitenkin varsin vähän. Esimerkiksi 20-persentiili (p20) on aamulla klo 08:30 vähän korkeammalla kuin iltapäivällä klo 15:30, mutta toisaalta keskipäivän lähellä iltapäivän arvot ovat hieman korkeammalla. Ilmatieteen laitos Sivu 15 2014

Kuva 11. Heinäkuun tuntikohtainen auringonsäteilyn jakauma Kaisaniemessä. Kuvan ylälaidassa on esitetty paikallista aurinkoaikaa vastaavat kellonajat Suomen kesä-ajassa sekä auringon kulloinenkin ilmansuunta. Kuvassa 11 on vain heinäkuun säteilyarvot. Kaisaniemen tuntikohtaiset auringon globaalin säteilyn jakaumat koko vuodelta on esitetty liitteessä. 4.6 Aurinkoa seuraava paneeli Suomen kesässä päivät ovat pitkiä ja aurinko liikkuu päivän aikana taivaan yli hyvin laajalla kaarella. Esimerkiksi Östersundomissa aurinko nousee heinäkuussa koillisessa aamuyön tunteina ja laskee luoteessa iltamyöhään (kuva 11). Kuinka paljon olisi voitettavissa jos käytössä olisi aurinkoa seuraava aurinkopaneeli kiinteän sijaan? Laskimme esimerkkinä pilvettömälle päivälle (7.7.2013) kuinka paljon auringonsäteilyä tulee tietylle pinnalle, riippuen seuraako pinta aurinkoa vai onko se kiinteästi asennettu. Tulokset (kuva 12) osoittavat, että tällaisena pilvettömänä kesäpäivänä aurinkoa seuraava paneeli saa lähes kaksinkertaisen säteilymäärän verrattuna kiinteään paneelin (joko vaakasuoraan tai 60 asteen kulmaan asennettuun). Täyspilviselle päivälle tulos olisi toinen koska silloin saapuva auringonsäteily on kokonaan hajasäteilyä jakaantuen taivaankannen yli melko tasaisesti. Jos esimerkiksi tehdään suhteellisen realistinen oletus, että pilvisessä tilanteessa hajasäteilyä tulee joka suunnasta yhtä paljon, vaakasuora pinta saisi täyspilvisenä päivänä eniten säteilyä. Ilmatieteen laitos Sivu 16 2014

Kuva 12. Auringon irradianssi paneelin eri kallistuskulmilla pilvettömänä esimerkkipäivänä 7.7.2013 5 Muita aurinkoenergiatuotantoon vaikuttavia tekijöitä Suomessa ilmakehä on enimmäkseen puhdasta sisältäen suhteellisen vähän pienhiukkasia (sameutta). Tämä pätee myös pääkaupunkiseudulla (Aaltonen ym. 2012). Näin ollen pienhiukkasten vaikutus maan pinnalle saapuvaan auringonsäteilyn määrään on yleensä pieni. Kuitenkin toisinaan ilma voi olla sameaa, esimerkiksi kun maastopalosavuja kulkeutuu muualta Suomeen. Tällöin pienhiukkasten vaimentava vaikutus on tärkeää myös aurinkosähkötuotannon kannalta. Aikaisempi tutkimuksemme (Arola ym., 2007) osoitti, että tällaisessa voimakkaassa metsäpalosavutilanteessa maan pinnalle tuleva auringonsäteilyn määrä voi keskipäivän aikaan tippua noin 15 % verrattuna normaaliin. Östersundomiin suunniteltu aurinkovoimalaitosalue rajoittuu Helsinki-Porvoo - moottoritielle. Tällaisessa ympäristössä liikenteen aiheuttamat pienhiukkaspäästöt voivat vaikuttuu aurinkoenergian tuotantoon, esim. tien pinnasta irtoavat hiukkaset ja suola todennäköisesti likaavat aurinkopaneeleja aiheuttaen säännöllisen puhdistustarpeen. Lumipeite voimistaa vaakasuoralle pinnalle tulevaa auringonsäteilyä koska kirkas lumipeite heijastaa osan tulevasta säteilystä takaisin ilmakehään, josta se puolestaan siroaa (heijastuu) takaisin alaspäin. Aurinkosähkötuotannon kannalta olisi hyödyllistä arvioida kuinka paljon paneelin kaltevalle pinnalle saapuva auringonsäteilyn määrä muuttuu lumiolosuhteista riippuen. Tähän Östersundomissa suoritetut mittaukset eivät valitettavasti anna vastausta, mutta Jokioisten observatoriolla kevään 2013 aikana suoritetuista mittauksista on arvioitu, että pystysuoralle pinnalle tuleva auringonsäteily kasvaa 20 30 % lumipinnan ansiosta verrattuna lumettomaan tilanteeseen (Lindfors ym., 2013). Kyseinen tutkimus keskittyi loppukevään Ilmatieteen laitos Sivu 17 2014

tilanteeseen, jolloin lumi on vanhaa ja sulamassa. Tuoreesti satanut puhdas lumi heijastaa auringonsäteilyä tätä tehokkaammin. Lisäksi tiedetään, että aurinkopaneelin hyötysuhde on parhaimmillaan alhaisissa lämpötiloissa. Näin ollen aurinkoiset ja lumiset kevätpäivät ovat säteilyoloiltaan otollisia sähköntuotannon kannalta. Ilmastonmuutoksen merkitystä maan pinnalle saapuvaan auringonsäteilyyn on tarkasteltu Ruosteenojan ym. (2013) raportissa. He arvioivat ilmastomallituloksista kuinka auringonsäteily tulee muuttumaan vuosisadan loppuun mennessä ilmastonmuutoksen edetessä: Suomen eteläosassa säteilymäärät näyttäisivät pysyvän lähes muuttumattomina touko heinäkuussa, lisääntyisivät hieman elo lokakuussa ja vähenisivät marras huhtikuussa. Talviaikaan näyttää siltä, että sekä pilvisyyden lisääntyminen että lumipeitteen väheneminen tulevat vaikuttamaan säteilyn määrään vähenevästi. Aurinkoenergian hyödyntämisen kannalta on lohdullista, että suurimmat muutokset ajoittuvat nimenomaan talveen, jolloin säteilyä on joka tapauksessa hyvin vähän. 6 Johtopäätökset Vuositasolla Etelä-Suomi saa melkein saman verran auringonsäteilyä kuin Pohjois-Saksa. Kesäaikaan Östersundomin sijainti aurinkoisen Suomenlahden tuntumassa yhdistettynä maamme pitkiin kesäpäiviin vahvistaa aurinkoenergian tuotantopotentiaalia verrattuna Pohjois-Euroopan muihin kohteisiin. Suomenlahdella auringonsäteilyä on kesällä jonkin verran enemmän kuin Östersundomissa. Etäisyydestä Östersundomista riippuen ero on todennäköisesti 5 10 %, mikä vastaa kesä elokuun säteilykertymässä noin 25 50 kwh/m2. Muina vuodenaikoina ero on pienempi. Östersundomiin kertyi kesäkauden 2013 aikana suurin piirtein saman verran auringonsäteilyä kuin Kumpulaan ja Helsinki-Vantaalle. Etäisyys rantaviivasta aiheuttaa kuitenkin pieniä eroja säteilymäärään etenkin kesällä. Lisäksi pilvisyyden vaihtelut tuottavat päiväkohtaisia eroja asemien välille. Hyvänä kesäpäivänä Östersundomin säteilykertymä on noin 8 kwh/m2. Pilvisenä kesäpäivänä luku voi olla alle 2 kwh/m2. Talvea kohti auringonsäteilyn määrä vähenee voimakkaasti. Lokakuun loppupuolelta helmikuun loppuun 2014 päiväkertymät jäivät noin 1 kwh/m2 tasolle tai alle. Mittausvuoden aikana (heinäkuusta 2013 kesäkuuhun 2014) Östersundomiin kertyi auringon globaalia säteilyä noin 940 kwh/m2. Mittausjakso oli vuoden 2013 osalta melko lähellä alueen pitkän ajan keskiarvoja. Vuoden 2014 osalta erottui aurinkoinen huhtikuu ja pilvinen touko kesäkuu sekä pilvinen ja vähäluminen helmikuu. Östersundomin huhti syyskuun säteilykertymän pitkän ajan keskiarvo ja keskihajonta ovat noin 830±42 kwh/m2. Auringonsäteilyn käyttäytyminen on melko symmetristä auringon keskipäivän suhteen. Tämä tarkoittaa, että suurimmat säteilymäärät saadaan auringon ollessa etelässä. Ilmatieteen laitos Sivu 18 2014

Pilvettömänä kesäpäivänä aurinkoa seuraavalla paneelilla saataisiin Östersundomissa lähes kaksinkertainen säteilymäärä kiinteästi asennettuun paneeliin verrattuna. Täysipilvisenä päivänä taas vaakasuora pinta tuottaisi eniten energiaa. Käyttämämme satelliittiaineiston (EUMETSAT:n CLARA-A1) tarkkuus on hyvä ja sitä voidaan käyttää aluesijoittelun suunnittelun pohjana. On kuitenkin huomioitava, että nykyisen CLARA-aineiston melko karkea horisontaaliresoluutio (noin 25 km) rajoittaa käytettävyyden aluetasolle. 7 Viitteet Aaltonen, V., Rodriguez, E., Kazadzis, S., Arola, A., Amiridis, V., Lihavainen, H., ja de Leeuw, G. (2012): On the variation of aerosol properties over Finland based on the optical columnar measurements, Atmospheric Research, 116, 46 55. Arola, A., A. Lindfors, A. Natunen ja K. E. J. Lehtinen (2007): A case study on biomass burning aerosols: effects on aerosol optical properties and surface radiation levels, Atmos. Chem. Phys., 7, 4257-4266. Kajosaari, S. (1976): Auringonpaisteesta Suomessa vuosina 1963 1972, Ilmatieteen laitos, Tutkimusseloste, 56, 551.521.11(480). Karlsson, K.-G., Riihelä, A., Müller, R., Meirink, J. F., Sedlar, J., Stengel, M., Lockhoff, M., Trentmann, J., Kaspar, F., Hollmann, R. ja Wolters, E. (2013): CLARA-A1: a cloud, albedo, and radiation dataset from 28 yr of global AVHRR data, Atmos. Chem. Phys., 13, 5351-5367. Lindfors, A.V, A. Heikkilä, T. Koskela ja A. Arola (2013): Solar irradiance on inclined surfaces in Jokioinen, Southern Finland, during snow-covered spring conditions, 13 th EMS Annual Meeting, European Meteorological Society, EMS2013-253. Perez, R., Kivalov, S., Schlemmer, J., Hemker, K., Renne, D. ja Hoff, T. E. (2010): Validation of short and medium term operational solar radiation forecasts in the US, Solar Energy, 84, 2161 2172. Rinne J., J. Koistinen ja E. Saltikoff (1998): Suomalainen sääkirja etanasta El Ninoon, 4. painos, Otava. Ruosteenoja, K., ym. (2013): Maailmanlaajuisiin CMIP3-malleihin perustuvia arvioita Suomen tulevasta ilmastosta, Ilmatieteen laitos, Raportteja, 2013:4. Ilmatieteen laitos Sivu 19 2014

8 LIITE: Säteilyn tuntijakaumat Kaisaniemessä Ilmatieteen laitos Sivu 20 2014

Ilmatieteen laitos Sivu 21 2014

Ilmatieteen laitos Sivu 22 2014

Ilmatieteen laitos Sivu 23 2014